Rohrreiniger entschärfen
AFB I–IIEin Rohrreiniger-Granulat enthält Natriumhydroxid und etwas Aluminium. Ein Rest von 10,0 g soll vor der Entsorgung neutralisiert werden. Angaben der Packung und Tabellenwerte:
| w(NaOH) im Granulat | M(NaOH) | ΔLH°(NaOH) | ΔrH°(Neutralisation) |
|---|---|---|---|
| 60 % | 40,00 g/mol | −44,5 kJ/mol | −57,3 kJ/mol |
- Formulieren Sie die Gleichung für das Lösen von NaOH und erläutern Sie, warum dabei keine Protolyse vorliegt.
- Formulieren Sie die Neutralisation mit Salzsäure als Ionengleichung und nennen Sie die Zuschauer-Ionen.
- Berechnen Sie das Volumen Salzsäure (c = 2,0 mol/L), das zur Neutralisation nötig ist.
- Beurteilen Sie den Tipp, das Granulat direkt in konzentrierter Salzsäure aufzulösen.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
\(\ce{NaOH(s) -> Na+(aq) + OH-(aq)}\). NaOH ist ein Ionengitter; die OH⁻-Ionen liegen bereits vor und werden nur hydratisiert (Dissoziation). Es geht kein Proton über. OH⁻ macht die Lösung alkalisch.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
\(\ce{H3O+ + OH- -> 2 H2O}\). Zuschauer-Ionen: Na⁺ und Cl⁻.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
\(m(\ce{NaOH}) = 0{,}60 \cdot 10{,}0\,\text{g} = 6{,}00\,\text{g}\); \(n = 0{,}150\,\text{mol}\); \(n(\ce{H3O+}) = 0{,}150\,\text{mol}\); \(V = \tfrac{0{,}150\,\text{mol}}{2{,}0\,\text{mol/L}} = 75\,\text{mL}\).
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Abzuraten: Lösen setzt \(0{,}150\,\text{mol} \cdot 44{,}5\,\tfrac{\text{kJ}}{\text{mol}} \approx 6{,}7\,\text{kJ}\), die Neutralisation \(0{,}150\,\text{mol} \cdot 57{,}3\,\tfrac{\text{kJ}}{\text{mol}} \approx 8{,}6\,\text{kJ}\) frei — in wenig Flüssigkeit kann es sieden und spritzen. Zudem bildet Aluminium mit Säure Wasserstoff. Besser: Granulat in viel Wasser lösen und langsam mit verdünnter Säure neutralisieren.
Warum Säuren so gut leiten
AFB II–IIIDie Tabelle zeigt molare Ionenleitfähigkeiten λ bei 25 °C (unendliche Verdünnung). Die Leitfähigkeit einer Lösung lässt sich näherungsweise berechnen mit \(\kappa = c \cdot (\lambda_+ + \lambda_-)\).
| Ion | H₃O⁺ | OH⁻ | Na⁺ | K⁺ | Cl⁻ |
|---|---|---|---|---|---|
| λ in S·cm²/mol | 349,8 | 198,6 | 50,1 | 73,5 | 76,3 |
- Vergleichen Sie die Werte für H₃O⁺ und OH⁻ mit denen der übrigen Ionen.
- Erklären Sie die hohe Leitfähigkeit von H₃O⁺ auf Teilchenebene.
- Berechnen Sie die Leitfähigkeit von Salzsäure und von Kochsalzlösung mit jeweils c = 0,010 mol/L in mS/cm.
- Beurteilen Sie die Vermutung, dass sich beim Mischen von 100 mL dieser Salzsäure mit 100 mL Natronlauge (c = 0,010 mol/L) die Leitfähigkeit kaum ändert, „weil die Zahl der Ionen gleich bleibt“.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
H₃O⁺ leitet etwa 4,5- bis 7-mal so gut wie Na⁺, K⁺ und Cl⁻, OH⁻ etwa 2,5- bis 4-mal so gut. Beide Ionen aus dem Wasser selbst sind außergewöhnlich beweglich.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Grotthuß-Mechanismus: H₃O⁺ gibt ein Proton über eine Wasserstoffbrücke an ein benachbartes H₂O ab, das wird zum neuen H₃O⁺ und gibt seinerseits ein Proton weiter. Die Ladung „springt“ durch das Netzwerk der Wasserstoffbrücken, ohne dass ein Ion weit wandern muss. Für OH⁻ läuft der Vorgang umgekehrt (Nachbar-H₂O gibt ein Proton an OH⁻ ab).
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
HCl: \(\kappa = 1{,}0\cdot10^{-5}\,\tfrac{\text{mol}}{\text{cm}^3} \cdot 426{,}1\,\tfrac{\text{S cm}^2}{\text{mol}} \approx 4{,}26\,\tfrac{\text{mS}}{\text{cm}}\). NaCl: \(1{,}0\cdot10^{-5} \cdot 126{,}4 \approx 1{,}26\,\tfrac{\text{mS}}{\text{cm}}\). Salzsäure leitet über dreimal so gut.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Falsch: H₃O⁺ und OH⁻ reagieren zu Wasser; übrig bleibt NaCl-Lösung mit c = 0,0050 mol/L: \(\kappa \approx 0{,}0050 \cdot 10^{-3} \cdot 126{,}4\,\text{S/cm} \approx 0{,}63\,\tfrac{\text{mS}}{\text{cm}}\). Ohne Reaktion läge der Mittelwert der Ausgangslösungen bei ≈ 3,4 mS/cm (NaOH: 2,49 mS/cm). Die Ionenzahl halbiert sich, und die gut leitenden H₃O⁺/OH⁻ werden durch langsame Na⁺/Cl⁻ ersetzt — die Leitfähigkeit sinkt stark.